La fabricación espacial es la producción de bienes tangibles más allá de la Tierra . Dado que la mayoría de las capacidades de producción se limitan a la órbita terrestre baja , el término fabricación en órbita también se utiliza con frecuencia.
Hay varias razones que respaldan la fabricación en el espacio:
Durante la misión Soyuz 6 de 1969, los cosmonautas rusos realizaron los primeros experimentos de soldadura en el espacio. Se probaron tres procesos de soldadura diferentes utilizando una unidad de hardware llamada Vulkan. Las pruebas incluyeron soldadura de aluminio , titanio y acero inoxidable .
La misión Skylab , lanzada en mayo de 1973, sirvió como laboratorio para realizar diversos experimentos de fabricación espacial. La estación estaba equipada con una instalación de procesamiento de materiales que incluía un horno eléctrico multiuso , una cámara de crecimiento de cristales y un cañón de haz de electrones . Entre los experimentos que se realizarán se encuentran investigaciones sobre el procesamiento de metales fundidos; fotografiar el comportamiento de materiales encendidos en gravedad cero; crecimiento de cristales; procesamiento de aleaciones inmiscibles ; soldadura fuerte de tubos de acero inoxidable , soldadura por haz de electrones y formación de esferas a partir de metal fundido . La tripulación dedicó un total de 32 horas-hombre a la investigación de ciencia de materiales y fabricación espacial durante la misión.
El Instituto de Estudios Espaciales comenzó a organizar una Conferencia bianual sobre fabricación espacial en 1977 [ cita requerida ] .
La investigación sobre microgravedad en el procesamiento de materiales continuó en 1983 utilizando las instalaciones de Spacelab . Este módulo ha sido puesto en órbita 26 veces a bordo del transbordador espacial hasta 2002 [actualizar]. En esta función, el transbordador sirvió como plataforma de investigación provisional y de corta duración antes de la finalización de la Estación Espacial Internacional .
En febrero de 1994 y septiembre de 1995, el transbordador espacial puso en órbita la instalación Wake Shield . Esta plataforma de demostración utilizó el vacío creado en la estela orbital para fabricar películas delgadas de arseniuro de galio y arseniuro de galio y aluminio .
El 31 de mayo de 2005 se puso en órbita el laboratorio recuperable y no tripulado Foton-M2 . Entre los experimentos se encontraban el crecimiento de cristales y el comportamiento del metal fundido en ingravidez.
La finalización de la Estación Espacial Internacional ha proporcionado instalaciones ampliadas y mejoradas para realizar investigaciones industriales. Estos han llevado y seguirán conduciendo a mejoras en nuestro conocimiento de las ciencias de los materiales, nuevas técnicas de fabricación en la Tierra y, potencialmente, algunos descubrimientos importantes en los métodos de fabricación espacial. La NASA y Tethers Unlimited probarán el Refabricator a bordo de la ISS, cuyo objetivo es reciclar plástico para su uso en la fabricación aditiva espacial. [3]
El Levitador Electromagnético del Laboratorio de Ciencia de Materiales (MSL-EML) a bordo del Laboratorio Columbus es una instalación científica que se puede utilizar para estudiar las propiedades de fusión y solidificación de diversos materiales. El Laboratorio de Ciencias de Fluidos (FSL) se utiliza para estudiar el comportamiento de líquidos en microgravedad. [4]
Existen varias diferencias únicas entre las propiedades de los materiales en el espacio en comparación con los mismos materiales en la Tierra. Estas diferencias pueden explotarse para producir técnicas de fabricación únicas o mejoradas.
Para la mayoría de las aplicaciones de fabricación, se deben cumplir requisitos de materiales específicos. Los minerales deben refinarse para extraer metales específicos y los compuestos orgánicos volátiles deberán purificarse. Idealmente, estas materias primas se entregan al sitio de procesamiento de manera económica, donde el tiempo de llegada, el gasto de energía de propulsión y los costos de extracción se tienen en cuenta en el proceso de planificación . Los minerales se pueden obtener de los asteroides , de la superficie lunar o de un cuerpo planetario. Los volátiles podrían potencialmente obtenerse de un cometa , condrita carbonosa o asteroides "tipo C", o de las lunas de Marte u otros planetas. También podría resultar posible extraer hidrógeno en forma de hielo de agua o minerales hidratados de trampas frías situadas en los polos de la Luna .
A menos que los sitios de procesamiento y fabricación de materiales estén ubicados junto con las instalaciones de extracción de recursos, las materias primas tendrían que moverse por el Sistema Solar . Existen varios medios propuestos para proporcionar propulsión a este material, entre ellos velas solares , velas eléctricas , velas magnéticas , propulsores de iones eléctricos , propulsores electrotérmicos de microondas o impulsores de masa (este último método utiliza una secuencia de electroimanes montados en línea para acelerar una masa conductora). material).
En las instalaciones de procesamiento de materiales, los materiales entrantes deberán capturarse por algún medio. Los cohetes maniobrables acoplados a la carga pueden estacionar el contenido en una órbita adecuada. Alternativamente, si la carga se mueve a un delta-v bajo en relación con el destino, entonces se puede capturar mediante un receptor de masa . Esto podría consistir en una red grande y flexible o una estructura inflable que transferiría el impulso de la masa a la instalación más grande. Una vez en su lugar, los materiales se pueden mover hasta su lugar mediante medios mecánicos o mediante pequeños propulsores.
Los materiales se pueden utilizar para la fabricación ya sea en su forma cruda o procesándolos para extraer los elementos que los constituyen. Las técnicas de procesamiento incluyen varios métodos químicos , térmicos , electrolíticos y magnéticos para la separación. A corto plazo, se podrán utilizar métodos relativamente sencillos para extraer aluminio , hierro , oxígeno y silicio de fuentes lunares y asteroidales. Los elementos menos concentrados probablemente requerirán instalaciones de procesamiento más avanzadas, que tal vez tengan que esperar hasta que se desarrolle completamente una infraestructura de fabricación espacial. [5]
Algunos de los procesos químicos requerirán una fuente de hidrógeno para la producción de mezclas de agua y ácidos . También se puede utilizar gas hidrógeno para extraer oxígeno del regolito lunar , aunque el proceso no es muy eficiente. [ se necesita aclaración ] [6] Por lo tanto, una fuente fácilmente disponible de volátiles útiles es un factor positivo en el desarrollo de la fabricación espacial. Alternativamente, se puede liberar oxígeno del regolito lunar sin reutilizar ningún material importado calentando el regolito a 4530 °F (2500 °C) en el vacío. Esto se probó en la Tierra con un simulador lunar en una cámara de vacío. Hasta el 20% de la muestra se liberó como oxígeno libre. Eric Cardiff llama al resto escoria. Este proceso es muy eficiente en términos de materiales importados utilizados por lote, pero no es el proceso más eficiente en energía por kilogramo de oxígeno. [7]
Un método propuesto para purificar materiales de asteroides es mediante el uso de monóxido de carbono (CO). Calentar el material a 500 °F (260 °C) y exponerlo a CO hace que los metales formen carbonilos gaseosos . Luego, este vapor se puede destilar para separar los componentes metálicos y luego se puede recuperar el CO mediante otro ciclo de calentamiento. Así, una nave automatizada puede raspar materiales superficiales sueltos de, digamos, el relativamente cercano 4660 Nereus (en términos delta-v), procesar el mineral usando calefacción solar y CO, y finalmente regresar con una carga de metal casi puro. La economía de este proceso puede potencialmente permitir que el material se extraiga a una vigésima parte del costo del lanzamiento desde la Tierra, pero requeriría un viaje de ida y vuelta de dos años para devolver cualquier mineral extraído. [8]
Debido a las limitaciones de la velocidad de la luz en las comunicaciones, la fabricación en el espacio en un punto distante de adquisición de recursos requerirá robótica completamente autónoma para realizar el trabajo o una tripulación humana con todos los requisitos de hábitat y seguridad que lo acompañan. Sin embargo , si la planta se construye en órbita alrededor de la Tierra o cerca de un hábitat espacial tripulado , los dispositivos telerobóticos se pueden utilizar para determinadas tareas que requieren inteligencia y flexibilidad humanas.
La energía solar proporciona una fuente de energía fácilmente disponible para el procesamiento térmico. Incluso con calor únicamente, se pueden utilizar materiales simples fusionados térmicamente para la construcción básica de estructuras estables. El suelo a granel procedente de la Luna o de los asteroides tiene un contenido de agua muy bajo y, cuando se funde para formar materiales vítreos, es muy duradero. Estos sólidos vítreos simples se pueden utilizar para el montaje de hábitats en la superficie de la Luna o en otros lugares. La energía solar se puede concentrar en la zona de fabricación mediante una serie de espejos orientables .
La disponibilidad y las propiedades físicas favorables de los metales los convertirán en un componente importante de la fabricación espacial. La mayoría de las técnicas de manipulación de metales utilizadas en la Tierra también pueden adoptarse para la fabricación espacial. Algunas de estas técnicas necesitarán modificaciones significativas debido al entorno de microgravedad .
La producción de acero endurecido en el espacio introducirá algunos factores nuevos. El carbono sólo aparece en pequeñas proporciones en los materiales de la superficie lunar y será necesario extraerlo de otros lugares. Los materiales de desecho transportados por los humanos desde la Tierra son una posible fuente, al igual que los cometas. El agua que normalmente se utiliza para templar el acero también será escasa y requerirá una fuerte agitación.
La fundición de acero puede ser un proceso difícil en microgravedad, que requiere procesos especiales de calentamiento e inyección, o conformación por rotación. La calefacción se puede realizar utilizando la luz solar combinada con calentadores eléctricos. El proceso de fundición también debería gestionarse para evitar la formación de huecos a medida que el acero se enfría y se contrae.
Se pueden utilizar varias técnicas de trabajo de metales para darle al metal la forma deseada. Los métodos estándar son fundición, embutición , forja , mecanizado , laminado y soldadura . Tanto la laminación como la trefilación de metales requieren calentamiento y posterior enfriamiento. La forja y la extrusión pueden requerir prensas eléctricas, ya que la gravedad no está disponible. La soldadura por haz de electrones ya se ha demostrado a bordo del Skylab y probablemente será el método elegido en el espacio. Las operaciones de mecanizado pueden requerir herramientas de precisión que deberán importarse de la Tierra durante algún tiempo.
Se están estudiando nuevas tecnologías de fabricación espacial en lugares como el Centro Nacional de Fabricación Avanzada de Marshall . Los métodos que se están investigando incluyen recubrimientos que se pueden rociar sobre superficies en el espacio utilizando una combinación de calor y energía cinética, y la fabricación de piezas sin haces de electrones [9] . Enfoques como estos, así como el examen de propiedades de materiales que pueden investigarse en un laboratorio en órbita, serán estudiados en la Estación Espacial Internacional por la NASA y Made In Space, Inc. [10]
La opción de imprimir productos en 3D en el espacio tiene muchas ventajas sobre la fabricación situada en la Tierra. Con las tecnologías de impresión 3D, en lugar de exportar herramientas y equipos desde la Tierra al espacio, los astronautas tienen la opción de fabricar directamente los artículos necesarios. Los patrones de fabricación bajo demanda hacen que los viajes espaciales de larga distancia sean más factibles y autosuficientes, ya que las excursiones espaciales requieren menos carga. La seguridad de la misión también mejora.
Las impresoras 3D de Made In Space, Inc. , que se lanzaron en 2014 a la Estación Espacial Internacional , están diseñadas específicamente para un entorno de gravedad cero o microgravedad. El esfuerzo recibió el Contrato de Investigación e Innovación para Pequeñas Empresas Fase III. [11] La NASA utilizará la instalación de fabricación aditiva para realizar reparaciones (incluso durante situaciones de emergencia), actualizaciones e instalación. [12] Made In Space enumera las ventajas de la impresión 3D como fácil personalización, mínimo desperdicio de materia prima, piezas optimizadas, tiempo de producción más rápido, electrónica integrada, interacción humana limitada y opción para modificar el proceso de impresión. [12]
El experimento Refabricator, desarrollado por Firmamentum, una división de Tethers Unlimited, Inc. bajo un contrato de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas Fase III de la NASA, combina un sistema de reciclaje y una impresora 3D para realizar una demostración de fabricación espacial de ciclo cerrado en el Aeropuerto Internacional. Estación Espacial (ISS). [13] El experimento Refabricator, que se entregó a la ISS a bordo del Cygnus NG-10 el 19 de noviembre de 2018, [14] procesa materia prima plástica a través de múltiples ciclos de impresión y reciclaje para evaluar cuántas veces los materiales plásticos se pueden reutilizar en el ambiente de microgravedad antes de que sus polímeros se degraden a niveles inaceptables. [15]
Además, la impresión 3D en el espacio también puede utilizarse para la impresión de comidas. El programa de Tecnología Avanzada de Alimentos de la NASA está investigando actualmente la posibilidad de imprimir alimentos para mejorar la calidad, el contenido de nutrientes y la variedad de los alimentos. [dieciséis]
Airbus está desarrollando y planeando con la Agencia Espacial Europea enviar y probar la primera impresora 3D que imprima metales en el espacio en la ISS en un año a partir de 2022, y establecer la fabricación espacial en tres o cuatro años a partir de 2022. [17]
Se cree que hay una serie de productos útiles que potencialmente pueden fabricarse en el espacio y generar beneficios económicos. Se requiere investigación y desarrollo para determinar los mejores productos que se pueden producir y encontrar métodos de producción eficientes. Los siguientes productos se consideran posibles candidatos tempranos:
A medida que se desarrolla la infraestructura y disminuye el costo de ensamblaje, parte de la capacidad de fabricación puede dirigirse al desarrollo de instalaciones ampliadas en el espacio, incluidas plantas de fabricación a mayor escala. Es probable que esto requiera el uso de materiales lunares y de asteroides, y así seguirá el desarrollo de bases mineras.
La roca es el producto más simple y, como mínimo, es útil como protección contra la radiación. También puede procesarse posteriormente para extraer elementos para diversos usos.
Se cree que el agua de fuentes lunares, asteroides cercanos a la Tierra o lunas marcianas es relativamente barata y sencilla de extraer, y ofrece un rendimiento adecuado para muchos fines de fabricación y envío de materiales. La separación del agua en hidrógeno y oxígeno se puede realizar fácilmente a pequeña escala, pero algunos científicos [18] creen que inicialmente no se realizará a gran escala debido a la gran cantidad de equipos y energía eléctrica necesarios para dividir el agua y licuar el agua. gases resultantes. El agua utilizada en los cohetes de vapor da un impulso específico de unos 190 segundos; [ cita necesaria ] menos de la mitad que el hidrógeno/oxígeno, pero esto es adecuado para los delta-v que se encuentran entre Marte y la Tierra. [ cita necesaria ] El agua es útil como escudo contra la radiación y en muchos procesos químicos.
Las cerámicas fabricadas a partir de suelo lunar o de asteroides se pueden emplear para diversos fines de fabricación. [ cita necesaria ] Estos usos incluyen varios aislantes térmicos y eléctricos, como escudos térmicos para cargas útiles que se entregan a la superficie de la Tierra.
Los metales se pueden utilizar para ensamblar una variedad de productos útiles, incluidos contenedores sellados (como tanques y tuberías), espejos para enfocar la luz solar y radiadores térmicos. El uso de metales para dispositivos eléctricos requeriría aisladores para los cables, por lo que se necesitará un material aislante flexible como plástico o fibra de vidrio.
Se espera que un producto notable de la fabricación espacial sean los paneles solares. Se pueden construir y montar grandes paneles de energía solar en el espacio. Como la estructura no necesita soportar las cargas que se experimentarían en la Tierra, se pueden ensamblar enormes conjuntos a partir de cantidades proporcionalmente más pequeñas de material. La energía generada puede luego usarse para alimentar instalaciones de fabricación, hábitats, naves espaciales, bases lunares e incluso transmitirse a colectores en la Tierra con microondas .
Otras posibilidades para la fabricación espacial incluyen propulsores para naves espaciales, algunas piezas de reparación para naves espaciales y hábitats espaciales y, por supuesto, fábricas más grandes. [19] En última instancia, las instalaciones de fabricación espacial pueden hipotéticamente llegar a ser casi autosuficientes, requiriendo sólo importaciones mínimas de la Tierra. El entorno de microgravedad permite nuevas posibilidades en la construcción a escala masiva, incluida la ingeniería a megaescala . Estos proyectos futuros podrían potencialmente ensamblar ascensores espaciales , enormes granjas de paneles solares, naves espaciales de muy alta capacidad y hábitats giratorios capaces de sustentar poblaciones de decenas de miles de personas en condiciones similares a las de la Tierra.
Se espera que el entorno espacial sea beneficioso para la producción de una variedad de productos, siempre que se puedan superar los obstáculos. El costo más significativo es superar el obstáculo energético para poner materiales en órbita. Una vez que esta barrera se reduzca significativamente en el costo por kilogramo , el precio de entrada para la fabricación espacial puede hacerla mucho más atractiva para los empresarios. Una vez pagados los elevados costos de capitalización que supone el montaje de las instalaciones mineras y manufactureras, la producción deberá ser económicamente rentable para que pueda volverse autosostenible y beneficiosa para la sociedad.
Los requisitos económicos de la fabricación espacial implican la necesidad de recolectar las materias primas necesarias con un costo energético mínimo. El coste del transporte espacial está directamente relacionado con el delta-v , o cambio de velocidad necesario para desplazarse desde los sitios mineros a las plantas de fabricación. Llevar material a la órbita terrestre desde cuerpos como asteroides cercanos a la Tierra , Fobos , Deimos o la superficie lunar requiere mucho menos delta-v que lanzarlo desde la propia Tierra, a pesar de las mayores distancias involucradas. Esto hace que estos lugares sean económicamente atractivos como fuentes de materias primas.
Investigadores de la NASA y Tethers Unlimited Inc., de Bothell, Washington, están colaborando también en la demostración de un Refabricator. El pequeño dispositivo, del tamaño de un refrigerador, está destinado a reciclar desechos plásticos, incluidos materiales de embalaje, bolsas y contenedores de alimentos, para convertirlos en materia prima para la fabricación de aditivos espaciales, o impresión 3D, de piezas de repuesto y otros equipos que de otro modo requerirían masa y volumen de lanzamiento.
